ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH TẬP LÁI XE 3D Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô TÔ Giảng viên hướng dẫn TS NGUYỄN PHỤ THƯỢNG LƯU Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Lưu Anh Kiệt 1711250877 17DOTB1 Trần Anh Tuấn 1711251147 17DOTB1 Nguyễn Hoàng Trọng Nghĩa 1711250903 17DOTB1 TP Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 09 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, và hoàn thành đồ án này, nhóm em đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn tận tình qu.
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH LÁI XE, PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
Tổng quan mô phỏng và mô hình mô phỏng
1.1.1 Tổng quan về mô phỏng [1]
- Mô phỏng là sự bắt chước một quá trình hay một hệ thống thực theo thời gian
- Mô phỏng được sử dụng để mô tả và phân tích hành vi của một hệ thống
- Rút ra kết luận liên quan đến đặc tính hoạt động của hệ thống thực
- Hỗ trợ trong việc thiết kế các hệ thống
- Mô phỏng được thực hiện cho những mục đích (theo Pedgen et al., 1995):
+ Có được cái nhìn sâu sắc về các hoạt động của một hệ thống
+ Hệ thống là rất phức tạp và rất khó để hiểu được hoạt động và tương tác trong hệ thống mà không có một mô hình mô phỏng
+ Nói cách khác, khi hệ thống không thể ngừng để nghiên cứu hoặc cần kiểm tra các thành phần riêng biệt của một hệ thống trong sự cô lập
+ Một ví dụ điển hình là cố gắng tìm hiểu về quá trình sản xuất bị thắt cổ chai xảy ra
- Thay đổi nguyên tắc điều hành hoặc tài nguyên:
+ Khi chúng ta có những hệ thống hiện có hoạt động chưa tốt, chúng ta không hiểu về nó chưa muốn cải thiện
+ Có hai cách cơ bản là thay đổi nguyên tắc điều hành hoặc tài nguyên
- Kiểm tra các khái niệm mới:
+ Nếu một hệ thống thực chưa có, hoặc bạn đang cần xem xét về việc mua hệ thống mới
Chi phí để xây dựng một mô hình hệ thống mới có thể thấp hơn nhiều so với số vốn cần thiết cho việc lắp đặt bất kỳ quy trình sản xuất nào.
+ Ngoài ra, việc sử dụng một mô hình mô phỏng có thể giúp tinh chỉnh thiết bị được lựa chọn trước khi đưa vào hoạt động
- Có được thông tin mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống thực tế
+ Thử nghiệm cho các hệ thống mà nó không thể thử nghiệm trực tiếp
1.1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng
- Ưu điểm của mô phỏng:
+ Có khả năng nghiên cứu các hệ thống phức tạp, các yếu tố ngẫu nhiên, phi tuyến
Có thể đánh giá các đặc tính của hệ thống làm việc trong các điều kiện dự kiến, ngay cả khi hệ thống vẫn đang trong giai đoạn thiết kế khảo sát và chưa được triển khai.
+ Giúp hiểu được quá trình vận hành của hệ thống
+ Xác định được các điểm thắt cổ chai của hệ thống
+ Có thể so sánh, đánh giá các phương án khác nhau của hệ thống
+ Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống
- Nhược điểm của mô phỏng:
+ Phương pháp mô phỏng đòi hỏi các công cụ mô phỏng đắt tiền như máy tính, phần mềm chuyên dụng
+ Sự thành lập mô hình đòi hỏi sự huấn luyện đặc biệt vì đây cũng là vấn đề về nghệ thuật và khoa học
Phương pháp mô phỏng tạo ra một lượng lớn dữ liệu thống kê xác suất, vì vậy cần sử dụng các công cụ thống kê để phân tích và xử lý kết quả mô phỏng một cách hiệu quả.
+ Có thể tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí
+ Mô phỏng tuy không phải là công cụ tối ưu hiệu quả, nhưng lại hiệu quả trong việc so sánh các mô hình thay đổi để lựa chọn
1.1.1.4 Mô phỏng và so sánh với phương pháp giải tích.
- Lời giải tổng quát và tường minh
- Mô hình giải tích khi phải chấp nhận các giả thiết để đơn giản hóa mô hình
- Lời giải “xác định” chỉ khi biểu diễn bằng các công thức có thể tính được
- Phạm vi ứng dụng: hệ thống tuyến tính, tất định
- Lời giải số từng bước là các “đánh giá”
- Mô hình giải được không cần nhiều các giả thiết để đơn giản hóa mô hình
- Lời giải mang tính “đánh giá” sẽ cho đánh giá chính xác nếu bước tính tăng lên đủ lớn
- Phạm vi ứng dụng: hệ tuyến tính, phi tuyến, ngẫu nhiên
Hình 1 1 Hình trình bày các điểm khác biệt cơ bản giữa mô hình giải tích và mô hình mô phỏng
1.1.1.5 Các khái niệm cơ bản của mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng của người thực hiện có thể được triển khai thông qua các phần mềm chuyên dụng như ARENA, AutoMod, Simscript, hoặc SimPak Các phần mềm này cung cấp các công cụ cần thiết để xây dựng và phân tích mô hình Trong quá trình mô phỏng, việc hiểu rõ các thành phần cơ bản là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình.
+ Danh sách sự kiện mô phỏng
+ Thống kê đo lường kết quả
Các thành phần cơ bản trong mô hình mô phỏng:
- Xem xét một số hệ thống đơn giản:
+ Một trung tâm dịch vụ khách hàng có một người phục vụ
+ Một cửa hàng cắt tóc có một thợ cắt tóc
+ Một thư ký cho vay thế chấp trong một ngân hàng
+ Một máy điều khiển trong một nhà máy
Mỗi hệ thống đơn giản này bao gồm ba thành phần chính:
+ Loại đầu tiên của thành phần là thực thể: một cái gì đó làm thay đổi trạng thái của hệ thống
- Kích cỡ loạt thực thể:
+ Số lượng các thực thể đến trong hệ thống cùng một thời gian nhất định được gọi là kích cỡ loạt
- Khoảng thời gian của các thực thể đến:
+ Khoảng thời gian giữa các loạt khách hàng đến được gọi là Interarrival Time
Nó không có vấn đề khi loạt kích cở thường là một hoặc nhiều hơn
+ Các thực thể cũng có thể có thuộc tính Đây là những biến có giá trị duy nhất có mỗi thực thể trong hệ thống
+ Thành phần thứ hai là hàng đợi Các thực thể thường chờ đợi trong một hàng đợi cho đến khi đến lượt mình được xử lý
+ Thành phần thứ ba trong những hệ thống đơn giản là những tài nguyên
- Ví dụ về những tài nguyên là:
+ Các người đại diện phục vụ khách hàng
Trong các mô hình đơn giản, tài nguyên có thể ở trạng thái nhàn rỗi hoặc bận Tài nguyên nhàn rỗi khi sẵn sàng cho gia công nhưng không có thực thể nào chờ đợi, trong khi tài nguyên bận khi đang gia công các thực thể.
- Trong những mô hình phức tạp, các tài nguyên cũng có thể là tạm thời không hoạt động hoặc hư hỏng
- Tài nguyên không hoạt động:
+ Những lần ngừng công việc theo lịch
+ Khoảng thời gian bảo trì, phòng ngừa
1.1.2 Tổng quan về mô hình mô phỏng
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã có những bước phát triển vượt bậc về cả phần cứng và phần mềm, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giải trí, du lịch và kinh tế kỹ thuật Sự phát triển của sức mạnh máy tính đã mở ra khả năng cho những lĩnh vực trước đây khó khăn, trong đó công nghệ mô phỏng ngày càng được chú trọng Mô phỏng cho phép các nhà khoa học nghiên cứu trên hệ thống thực mà tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức Theo từ điển OXFORD, mô phỏng là hành động giả cách, bắt chước các điều kiện của một tình huống thông qua mô hình nhằm mục đích huấn luyện hoặc tiện lợi Về mặt kỹ thuật, mô phỏng là việc áp dụng mô hình để tạo ra kết quả mà không cần thử nghiệm hệ thống thực tế Nếu mô hình có yếu tố ngẫu nhiên, chúng ta có mô phỏng ngẫu nhiên Chương này sẽ nghiên cứu mô phỏng ngẫu nhiên từ khía cạnh kỹ thuật.
Ngày nay, công nghệ mô phỏng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học và y học Một trong những ứng dụng nổi bật là mô phỏng số và công nghệ ảo, bao gồm các mô phỏng lái xe ô tô, xe máy, máy bay và tàu ngầm Những công nghệ này phục vụ nhiều mục đích thiết thực trong cuộc sống, từ huấn luyện quân sự, sản xuất cho đến các hệ thống giải trí.
Trong huấn luyện quân sự, các kỹ sư thiết kế buồng lái đặc biệt để đào tạo binh sĩ lái xe quân sự, tàu ngầm và máy bay Những buồng lái này giúp khắc phục các vấn đề khó khăn trong quá trình huấn luyện như thao trường, vũ khí và điều kiện thời tiết.
Mô hình lái máy bay 3D trong hình 1.2 được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất máy bay và đào tạo kỹ sư Công nghệ mô phỏng này giúp người học nắm vững cách sử dụng, kiểm nghiệm và nghiên cứu các hệ thống máy bay một cách hiệu quả.
Hình 1 2 Mô hình mô phỏng lái máy bay 3D (nguồn: Internet)
Mô hình mô phỏng Cabin lái xe 3D, như hình 1.3, được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô Các hãng xe phát triển mô hình lái xe riêng nhằm thiết kế và tối ưu hóa hệ thống lái, đảm bảo tính chính xác và an toàn cho khách hàng Công nghệ này giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian và chi phí đáng kể so với việc phát triển trên mô hình thực tế với nhiều chi tiết phức tạp.
Hình 1 3 Cabin lái xe mô phỏng 3D (nguồn: Internet)
Hệ thống lái xe mô phỏng 3D trong nước, như hình 1.4, được ứng dụng trong lĩnh vực giải trí, giúp người chơi trải nghiệm cảm giác lái xe chân thật Các nhà phát triển thiết bị chơi game đã áp dụng công nghệ mô phỏng để tạo ra những sản phẩm mang lại trải nghiệm sống động và thực tế nhất cho khách hàng.
Hình 1 4 Hệ thống lái mô phỏng (nguồn: Internet)
Tổng quan mô hình lái xe trên thế giới
Mô phỏng lái xe được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới không chỉ cho mục đích giải trí mà còn trong đào tạo lái xe tại các cơ sở giáo dục và doanh nghiệp tư nhân Ngoài ra, nó còn phục vụ cho nghiên cứu trong các lĩnh vực như yếu tố con người và y học, giúp theo dõi hành vi, hiệu suất và sự chú ý của người lái Trong ngành công nghiệp ô tô, mô phỏng lái xe đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và đánh giá xe mới cũng như các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến Nhiều nhà sản xuất ô tô và trường đại học cũng áp dụng công nghệ này cho các nghiên cứu chuyên sâu.
Mô hình mô phỏng lái xe 3D không chỉ phục vụ cho nghiên cứu và giáo dục mà còn trở thành một sở thích thú vị cho những người đam mê công nghệ và cảm giác mạnh trong các trò chơi đua xe Trên toàn thế giới, cộng đồng này có những diễn đàn nơi họ trao đổi kiến thức và chia sẻ kinh nghiệm chế tạo các mô hình mô phỏng đa dạng về chủng loại, cấu trúc cơ khí và hình dáng.
Hình 1 5 Đua xe mô phỏng 3D (nguồn: Internet)
Tổng quan mô hình lái xe trong nước
Hiện nay, nhiều trường đào tạo lái xe ở Việt Nam đã áp dụng công nghệ mô phỏng 3D để cải thiện quá trình học tập Hệ thống mô phỏng này được thiết kế giống hệt như cabin của ô tô thật, cho phép người học thực hành trong một môi trường ảo tương tự như trong thực tế Người học sẽ sử dụng xe mô phỏng để thực hiện các bài tập, giúp họ chuẩn bị tốt hơn cho kỳ thi lấy bằng lái xe và tham gia giao thông Hệ thống này không chỉ mô phỏng các thiết bị như vô lăng, chân ga, phanh mà còn tái hiện phương pháp hoạt động của xe thực tế, mang lại trải nghiệm học tập hiệu quả.
Cabin mô phỏng lái xe của Việt Nam cung cấp trải nghiệm lái xe chân thực, giúp người dùng cảm nhận như đang điều khiển một chiếc xe thật Hệ thống này hỗ trợ giải quyết những thách thức mà người học lái xe thường gặp, bao gồm việc thiếu thời gian tham gia khóa đào tạo, thiếu kinh nghiệm và khó khăn trong việc tìm kiếm giáo viên.
Hình 1 6 Cabin mô phỏng lái xe của Việt Nam (nguồn: Internet)
Áp lực trong việc học lái xe, bao gồm tâm lý căng thẳng, kết quả kiểm tra thấp và sự e ngại khi cầm lái sau khi có giấy phép, thường gây khó khăn cho nhiều người Hệ thống đào tạo mô phỏng lái xe ô tô ra đời nhằm giải quyết những vấn đề này, cho phép học viên rèn luyện trong môi trường thuận tiện và thoải mái, từ đó nâng cao kỹ năng lái xe một cách hiệu quả.
Nghiên cứu, chọn phần mềm mô phỏng lái xe
- Cấu trúc bài toán sẽ nghiên cứu trong đề tài được trình bày trên hình 1.7 với các khối chức năng chính sau:
Khối vô lăng và chân phanh, chân ga đóng vai trò quan trọng trong việc tạo tín hiệu lái xe, giúp điều chỉnh ga và phanh Những tín hiệu này được truyền vào phần mềm lái xe qua cổng USB, đảm bảo sự tương tác mượt mà và chính xác trong quá trình điều khiển phương tiện.
Khối phần mềm lái xe là một ứng dụng kết nối trực tiếp với phần mềm mô phỏng EURO TRUCK SIMULATOR 2, cho phép truyền tải các trạng thái của xe một cách động và chính xác.
Khối phần mềm mô phỏng EURO TRUCK SIMULATOR 2 nhận tín hiệu từ phần mềm lái xe và truyền thông tin ra phần cứng qua cổng USB.
MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ s s
Hình 1 7 Sơ đồ cấu trúc
Khối mạch điều khiển nhận thông tin từ phần mềm mô phỏng EURO TRUCK SIMULATOR 2, thực hiện các thuật toán điều khiển vòng kín để điều chỉnh động cơ chấp hành Nó sử dụng dữ liệu đặt từ khối EURO TRUCK SIMULATOR 2 và thông tin phản hồi góc từ khối phản hồi góc.
+ Khối cơ cấu chấp hành là động cơ chấp hành thực hiện các chuyển động tạo rung động của khối cơ khí theo trạng của xe
+ Hệ cơ khí là một ghế ngồi lái xe
+ Khối cảm biến góc động cơ chấp hành
1.4.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng [2]
- Phần mềm mô phỏng là một tập hợp các thuật toán (chương trình máy tính)
"Bắt chước" là quá trình mô phỏng hoạt động của một hiện tượng thực tế thông qua một chương trình máy tính Chương trình này cho phép người sử dụng quan sát và trải nghiệm hoạt động mà không cần thực hiện trực tiếp, mang lại cái nhìn sâu sắc về quy trình và kết quả của hiện tượng đó.
Phần mềm mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra thiết kế sản phẩm, giúp hình dung sản phẩm cuối cùng với các thông số kỹ thuật tối ưu mà không tốn kém trong việc sửa đổi Hiện nay, có rất nhiều phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực công nghệ hóa học, nổi bật như PRO/II, Dynsim, HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK, PROSIM, TSWEET, Design II, IDEAS Simulation, Simulator 42, Sim Tool, Flight Simulator X, 3D Driving School và Xsim Trong số đó, Sim Tool và EURO TRUCK SIMULATOR 2 là những phần mềm mô phỏng lái xe phổ biến.
Phần mềm EURO TRUCK SIMULATOR 2 được nhóm đồ án lựa chọn làm công cụ mô phỏng 3D do giao diện thân thiện và tính đơn giản của nó Phần mềm này không chỉ cung cấp nhiều thông số chi tiết mà còn cho phép mô phỏng nhiều tình huống khác nhau, cùng với khả năng điều chỉnh các thông số một cách linh hoạt.
Hình 1 8 Giao diện chính của phần mềm mô phỏng 3D
1.4.2 Chọn mô hình mô phỏng và những yêu cầu của mô hình mô phỏng
Công nghệ mô phỏng đang ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu và phát triển khoa học đến giáo dục và đào tạo Các chương trình máy tính có khả năng mô phỏng các mạch điện tử, cơ điện tử và hệ thống điều khiển tương tác Về lý thuyết, mọi hiện tượng có thể được mô tả bằng dữ liệu và phương trình toán học đều có thể được mô phỏng Tuy nhiên, việc mô phỏng thường gặp khó khăn do sự phức tạp của các hiện tượng tự nhiên với nhiều tham số ảnh hưởng Do đó, để phát triển ứng dụng mô phỏng hiệu quả, cần xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mục tiêu của nhiệm vụ mô phỏng.
Mô phỏng lái 3D, như hình 1.9, là một công nghệ phổ biến trên toàn thế giới với nhiều loại mô hình khác nhau phục vụ cho nhiều mục đích Mỗi mô hình được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu sử dụng, chi phí và công việc của người dùng, từ đó mang lại trải nghiệm lái xe phù hợp và hiệu quả.
Hình 1 9 Mô phỏng lái 3D (nguồn: Internet)
Hình 1.10 trình bày mô hình hệ thống lái được phát triển từ việc nghiên cứu kỹ lưỡng các mô hình mô phỏng lái xe hiện có trên thị trường trong và ngoài nước Dựa trên điều kiện thực tế và khả năng gia công chế tạo, nhóm đã quyết định kết hợp mô hình mô phỏng lái 3D với hệ thống lái của xe, tạo ra một giải pháp tối ưu cho việc điều khiển.
- Các yêu cầu của mô hình là gia công cơ khí gọn, chính xác, có độ bền cao, hoạt động ổn định, trơn tru trong quá trình vận hành
1.4.3 Mục đích và nội dung nghiên cứu
Đề tài này nghiên cứu và thiết kế mô hình lái xe, giúp mô phỏng quá trình lái xe thực tế Qua đó, người dùng sẽ hiểu rõ hơn về các tình huống có thể xảy ra khi xe đang hoạt động, cũng như nguyên lý hoạt động và tính năng của xe.
Để nâng cao chất lượng lái xe, tiết kiệm chi phí, bảo vệ môi trường, giảm thiểu tai nạn giao thông và tạo ra một không gian giải trí hữu ích, chúng ta cần chú trọng vào việc cải thiện kỹ năng lái xe.
Hình 1 10 Mô hình hệ thống lái (nguồn: Internet)
TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP
Vấn để giải quyết
+ Đạp nhầm chân phanh, ga
Hình 2.1 minh họa các vụ tai nạn xe hơi ngoài ý muốn do nhầm lẫn giữa chân ga và phanh, thường xảy ra do thiếu kiến thức và kinh nghiệm lái xe Nguyên nhân dẫn đến việc đạp nhầm có thể bao gồm cảm giác lái chưa thành thục, điều kiện ánh sáng kém vào ban đêm, và mặt đường trơn trượt.
Hình 2 1 Đạp nhầm chân ga và chân phanh (nguồn: Internet)
Lái xe suốt cả ngày với 22 đèn có thể khiến tài xế cảm thấy mệt mỏi và mất tập trung, đặc biệt vào buổi chiều tối khi họ trở nên "đờ" ra và phản ứng chậm chạp Ngoài ra, việc vừa lái xe vừa sử dụng điện thoại hoặc các thiết bị điện tử khác cũng góp phần làm giảm sự chú ý và tăng nguy cơ tai nạn.
Hình 2.2 minh họa tình huống khi vào cua mà đánh lái không đúng cách, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng Việc thiếu lái hoặc thừa lái có thể gây ra tai nạn nguy hiểm, chẳng hạn như khi qua ngã tư, thiếu lái có thể khiến xe đâm vào làn đường khác và va chạm với các phương tiện khác, trong khi thừa lái có thể gây ra va chạm với xe máy đang lưu thông trên làn đường dành cho xe máy.
- Việc đánh thiếu hoặc thừa lái nguyên nhân thường là do cảm giác lái chưa thành thục đối với người mới
Học lái xe mô phỏng giúp người học tiết kiệm thời gian và chi phí đáng kể Họ không cần phải chờ đợi sắp xếp giáo viên hay địa điểm đào tạo như khi tham gia khóa học lái xe thực tế Việc này mang lại sự chủ động và linh hoạt hơn trong quá trình học tập.
Hình 2 2 Đánh thiếu, thừa lái (nguồn: Internet)
Mô hình mô phỏng lái xe tại nhà cho phép người tập luyện thoải mái và tiết kiệm thời gian, vì không còn phải chờ đến lượt như khi học lái xe thực tế Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng như một trò chơi, người dùng có thể vừa giải trí vừa luyện tập lái xe, giúp giảm chi phí đáng kể so với việc thuê xe, bảo dưỡng, hay thuê sân tập Hơn nữa, trình mô phỏng rất dễ cài đặt, giúp người lái làm quen với các thao tác và chức năng của ô tô thật, từ đó tránh được sự bỡ ngỡ khi tham gia điều khiển xe trong thực tế.
Đổi mới, nâng cao đào tạo giảng dạy lái xe
Thông tư 38/2019/TT-BGTVT, có hiệu lực từ ngày 01/01/2021, đã sửa đổi Thông tư 12/2017/TT-BGTVT của Bộ Giao Thông Vận Tải liên quan đến quy định đào tạo và cấp giấy phép lái xe Những thay đổi này nhằm nâng cao chất lượng đào tạo lái xe và đảm bảo an toàn giao thông.
Theo Thông tư 38/2019, từ ngày 01/01/2021, tất cả các trung tâm sát hạch lái xe phải áp dụng phần mềm mô phỏng tình huống giao thông trong đào tạo lái xe ôtô Thiết bị mô phỏng bao gồm hệ thống máy tính cài đặt phần mềm và cabin học lái xe ôtô.
- Tổng cục Đường bộ Việt Nam và Sở Giao thông vận tải sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng tình huống giao thông để sát hạch lái xe từ 01/05/2021
Việc thi sát hạch lái xe hiện nay đã được điều chỉnh với bốn bài thi, thay vì ba bài như trước Các bài thi bao gồm: Sát hạch lý thuyết, thi phần mềm mô phỏng tình huống giao thông, thực hành lái xe trong hình và thực hành lái xe trên đường.
Để được thi lái ô tô, thí sinh phải đạt yêu cầu ở từng bước kiểm tra: đầu tiên, nếu không hoàn thành nội dung lý thuyết, thí sinh sẽ không được thi bằng phần mềm mô phỏng Tiếp theo, nếu không vượt
Nếu học viên đạt yêu cầu về nội dung lý thuyết, phần mềm mô phỏng và thực hành lái xe trong hình, nhưng không đạt kết quả thực hành lái xe trên đường, thì sẽ được bảo lưu kết quả trong vòng một năm.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Cơ sở lý thuyết hệ thống lái
3.1.1 Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô:
Hệ thống lái trên ô tô của hãng BMW, như mô tả trong hình 3.1, là một trong bảy hệ thống cơ bản và quan trọng nhất của xe Trong khi động cơ và hệ thống truyền lực chịu trách nhiệm truyền công suất đến bánh xe, hệ thống lái có nhiệm vụ thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô di chuyển theo quỹ đạo nhất định như quay trái, quay phải hoặc đi thẳng Hệ thống lái là một cấu trúc phức tạp, bao gồm nhiều cụm cơ cấu và bộ phận với chức năng riêng biệt, hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình vận hành.
Hình 3 1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trên ô tô BMW (nguồn: Internet)
3.1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu hoạt động của hệ thống lái trên ô tô:
Hệ thống lái ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hướng di chuyển của xe theo ý muốn của người lái Nó đảm bảo rằng tâm quay của các bánh xe tuân thủ đúng nguyên tắc động học khi ô tô quay vòng, từ đó giúp hạn chế hiện tượng mòn bánh xe trong quá trình di chuyển.
Động lực học quay vòng trên ô tô
Lý thuyết động học chuyển động ô tô
Để ô tô quay vòng theo đúng hướng quỹ đạo, lực tổng hợp cần phải gần giống với quỹ đạo mong muốn Điều này chỉ đạt được khi hai bánh lái quay với góc đánh lái khác nhau, giúp tâm quay của ô tô nằm đúng vào trọng tâm xe và di chuyển theo quỹ đạo mà người lái muốn.
Hiện nay, có hai loại động học lái cơ bản được áp dụng trên các xe cơ giới, bao gồm động học lái kiểu bàn xoay và động học lái kiểu Ackerman.
3.2.1 Động học lái kiểu bàn xoay:
Động học lái xoay bàn là một phần quan trọng trong hệ thống lái của ô tô, được thể hiện qua hình 3.2 Đây là kiểu động học lái đầu tiên, trong đó việc điều khiển phương tiện được thực hiện thông qua cơ chế xoay bàn.
Hình 3 2 Động học lái bàn xoay trong hệ thống lái trên ô tô (nguồn: Internet)
27 đánh lái được thực hiện bằng cách quay một trục cứng và thường là cầu trước Việc quay được thực hiện thông qua chốt hay giàn xoay
- Đặc điểm của động học lái bàn xoay đó chính là:
Khi đánh lái tối đa, xu hướng xe bị lật nghiêng tăng lên do đó làm mất ổn định
Bán kính vòng quay nhỏ do góc đánh lái lớn nên có khả năng quay vòng ở chỗ hẹp rất tốt
Động học lái bàn xoay có tính mất ổn định cao, vì vậy nó chỉ thích hợp cho các xe cơ giới di chuyển với tốc độ chậm Thường thấy loại động học này được áp dụng cho các xe công trình, xe dầu mỏ, và xe siêu cường, siêu trọng.
Động học lái Ackerman là một phương pháp lái khác biệt so với động học lái kiểu bàn xoay, khi tất cả các bánh xe quay quanh trục của chúng Tâm quay của hệ thống lái Ackerman được xác định qua đường nối giữa hai điểm khớp quay trên và dưới của hệ thống treo bánh xe, hoặc qua đường nối dài của chốt chính đùm gá bánh xe.
- Động học lái Ackerman được sử dụng cho tất cả loại xe cơ giới 2 vệt bánh xe
Khi đánh lái, hình chiếu bằng của xe gần như không thay đổi, điều này rất quan trọng cho việc bố trí hệ thống lái trên ô tô, đặc biệt trong không gian hạn chế.
3.2.3 Nguyên tắc của Ackerman và cơ cấu động học hình thang lái:
Sơ đồ nguyên lý động học lái Ackerman (Hình 3.3) cho thấy mỗi bánh xe có tâm quay riêng biệt Nguyên tắc quan trọng trong động học lái Ackerman là các bánh xe phải được đánh lái sao cho đường nối dài của tâm trục bánh xe trong và ngoài giao nhau tại điểm trên đường nối dài tâm quay cầu sau Điều này đảm bảo rằng các bánh xe di chuyển trên các đường tròn đồng tâm, giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển và ổn định của phương tiện.
Hình 3 3 Sơ đồ nguyên lý động học lái Ackerman (nguồn: Internet)
Cơ cấu hình thang lái trong hệ thống lái ô tô, như hình 3.4, mô phỏng nguyên tắc Ackerman, mặc dù việc này gặp nhiều khó khăn Trong các cơ cấu động học lái, chỉ có cơ cấu động học hình thanh lái mới cung cấp sự khác biệt về góc đánh lái giữa hai bánh xe dẫn hướng Hình thang lái không chỉ mô phỏng đúng nguyên tắc Ackerman mà còn đảm bảo mỗi bánh xe có một tâm quay riêng biệt, từ đó tạo ra động học quay vòng gần với nguyên tắc này.
Nhóm em sẽ nghiên cứu các cơ cấu hình thang lái trong hệ thống lái ô tô và các cơ cấu truyền động từ người lái xuống để điều khiển hướng bánh xe.
Hình 3 4 Cơ cấu hình thang lái trong hệ thống lái trên ô tô (nguồn: Internet)
Cấu tạo các chi tiết của hệ thống lái trên ô tô
- Hệ thống lái trên ô tô được chia làm 3 cụm chi tiết chính:
Nhiệm vụ và cấu tạo của dẫn động lái trong hệ thống lái xe ô tô
Cấu tạo trục lái của hệ thống lái ô tô, như hình 3.5, bao gồm các chi tiết truyền chuyển động từ người lái đến hệ thống lái, giúp thay đổi hướng di chuyển của xe Hệ thống này cũng nhận dao động từ mặt đất, mang lại cảm giác lái cho người điều khiển Ngoài ra, dẫn động lái còn có nhiệm vụ bảo vệ an toàn cho người lái trong trường hợp va chạm, như làm gãy trục lái hoặc kích hoạt túi khí, mặc dù đây chỉ là nhiệm vụ phụ Các chi tiết chính của dẫn động lái bao gồm vô lăng lái và trụ lái.
Hình 3 5 Cấu tạo trục lái của hệ thống lái trên ô tô (nguồn: Internet)
Nhiệm vụ và cấu tạo của cơ cấu hệ thống lái trên ô tô
Hệ thống lái của ô tô được minh họa trong hình 3.6, với cấu tạo của cơ cấu lái Ecu bi tuần hoàn trợ lực điện EPS Cơ cấu lái này có nhiệm vụ điều khiển các đòn xoay trong hệ thống hình thang lái, đảm bảo chuyển động theo đúng nguyên tắc động học lái Ackerman Hai dạng cơ bản của cơ cấu lái thường thấy là cơ cấu lái trục vít – thanh răng và cơ cấu lái loại bi tuần hoàn.
Hình 3 6 Sơ đồ cấu tạo cơ cấu lái Ecu bi tuần hoàn trợ lực điện EPS
Nhiệm vụ và cấu tạo của trợ lực lái trong hệ thống lái xe ô tô
Hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô, như hình 3.7 mô tả, bao gồm các chi tiết giúp giảm lực quay vô lăng, tạo điều kiện cho người lái dễ dàng điều khiển Nhiều cải tiến trong hệ thống lái tập trung vào cụm trợ lực, trong khi các bộ phận dẫn động và cơ cấu lái vẫn giữ nguyên Cụm chi tiết trợ lực lái là phần phức tạp nhất trong hệ thống lái ô tô Hiện nay, có nhiều loại trợ lực lái như cơ khí, thủy lực và điện, nhưng chỉ còn trợ lực lái thủy lực và điện được sử dụng Hệ thống trợ lực lái điện đang ngày càng trở nên ưu việt nhờ sự phát triển của công nghệ điều khiển.
Hình 3 7 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô (nguồn: Internet)
Những cải tiến trong hệ thống lái trên ô tô
3.7.1 Những nhược điểm của hệ thống trợ lực lái cơ khí:
Nhược điểm lớn nhất của trợ lực lái cơ khí là giá trị trợ lực không thay đổi và cần bảo trì thường xuyên Do nguyên tắc hoạt động dựa trên đòn bẩy, cấu trúc của nó trở nên phức tạp, dẫn đến giá trị trợ lực thấp Vì vậy, ngày càng nhiều người chuyển sang sử dụng các hệ thống trợ lực hiện đại hơn.
1 loại trợ lực lái khác đó là hệ thống lái trợ lực thủy lực.
Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực thủy lực
- Hình 3.8 là sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô của hãng BMW
Hệ thống lái trợ lực thủy lực là hệ thống trợ lực lái lâu đời nhất trên ô tô, tồn tại trước cả hệ thống lái trợ lực điện Nó thực hiện tốt vai trò hỗ trợ lái, giúp tăng cường lực khi người lái quay vô lăng, mang lại cảm giác lái ổn định và hiệu quả.
Hình 3 8 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô BMW
Hệ thống lái trợ lực thủy lực sử dụng một phần công suất của động cơ để tạo áp suất dầu, hỗ trợ quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng của ô tô Tuy nhiên, hệ thống này gặp vấn đề khi ở tốc độ thấp, do motor bơm dầu hoạt động ở tốc độ chậm, dẫn đến giá trị trợ lực thấp, trong khi đó lại cần sự linh hoạt hơn Ngược lại, khi di chuyển ở tốc độ cao, motor trợ lực lái lại quay nhanh hơn, gây ra sự không đồng bộ trong hiệu suất trợ lực.
“nhẹ” đi và gây mất cảm giác cho người lái
Hình 3 9 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống lái trợ lực thủy lực
- Hình 3.10 là cấu tạo bơm thủy lực trong hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô được chú thích số thứ tự như sau:
Hệ thống lái trợ lực thủy lực đã được cải tiến thành hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử EHPS Hệ thống EHPS mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, cho phép linh hoạt điều chỉnh mức dầu phù hợp với cơ cấu trợ lực, từ đó khắc phục hiện tượng mất cảm giác khi lái.
Hình 3 10 Cấu tạo bơm thủy lực trong hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô
Tới hộp cơ cấu lái
36 chuyển ở tốc độ cao Nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề giá trị trợ lực thấp khi động cơ chạy ở tốc độ thấp.
Hệ thống lái trợ lực điện EPS trên ô tô
Hệ thống lái trợ lực điện EPS trên ô tô, như được thể hiện trong hình 3.11, là một giải pháp hiện đại và phổ biến hiện nay Điểm nổi bật của EPS so với hệ thống lái trợ lực thủy lực là khả năng điều chỉnh giá trị trợ lực lái một cách độc lập với tốc độ quay của động cơ, chỉ bằng cách thay đổi dòng điện vào Motor điện Nhờ đó, EPS khắc phục tình trạng tay lái nặng ở tốc độ thấp, dẫn đến việc hệ thống này ngày càng được ưa chuộng hơn so với hệ thống lái trợ lực thủy lực.
Hình 3 11 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện EPS (nguồn: Internet)
Tìm hiểu các thành phần trong bộ điều khiển
Bộ điều khiển bao gồm các thành phần chính như mạch điều khiển Arduino Leonardo, mạch driver điều khiển, mạch BTS7960, biến trở WH148 B10K, bộ chuyển đổi nguồn AC - DC và động cơ DC Các phần tử này được kết nối theo sơ đồ mạch nhỏ để hoạt động hiệu quả.
Hình 3.12 minh họa các linh kiện điện tử trong mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển bắt đầu khi máy tính cài đặt phần mềm mô phỏng TVN Volants và ứng dụng đua xe, đồng thời thiết lập driver cho các thiết bị phần cứng như vô lăng, chân ga, chân phanh và mạch điều khiển Arduino, kết nối qua cổng USB Khi phần mềm được khởi động, ứng dụng đua xe nhận tín hiệu từ tay lái, và trạng thái xe được gửi đến phần mềm TVN Volants Phần mềm này mã hóa tín hiệu và chuyển đổi thành dạng số hex để gửi xuống mạch điều khiển, nơi dữ liệu được quy đổi thành tín hiệu xung để gửi đến mạch công.
Hình 3 12 Các thành phần trong mạch điều khiển
Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng 38 suất để mô phỏng trạng thái tay lái trong xe Động cơ một chiều kết nối với cảm biến, cho phép cảm biến gửi tín hiệu phản hồi vị trí hiện tại của động cơ về mạch điều khiển Mạch điều khiển sẽ điều chỉnh tín hiệu xung để đưa động cơ đến vị trí mong muốn.
Tay lái Momo, như hình 3.13, là một sản phẩm nổi bật trong mô hình, được thiết kế đặc biệt để tương thích với nhiều trò chơi đua xe phổ biến như Live for Speed, Need for Speed và Dirt 3.
Sản phẩm này sở hữu các thông số kỹ thuật ấn tượng, bao gồm đường kính 33 cm và khối lượng 3.2 kg Điểm nổi bật của sản phẩm là khả năng kết nối với máy tính thông qua cổng USB, cho phép truyền tín hiệu điện (tín hiệu analog) từ tay lái và đồng bộ hóa tín hiệu điều khiển ứng dụng lái xe qua phần mềm driver Ngoài ra, sản phẩm còn có khả năng quay tối đa 900 độ, mang lại trải nghiệm lái xe chân thực và thú vị.
Hình 3 13 Tay lái Momo (nguồn: Internet)
Bộ nút nhấn 12 nút bấm cho phép người dùng cài đặt chức năng theo ý muốn, kết nối dễ dàng với máy tính qua cổng USB Tín hiệu truyền từ tay lái đến máy tính là tín hiệu điện (tín hiệu analog), và việc điều khiển ứng dụng lái xe được đồng bộ hóa qua phần mềm driver đi kèm sản phẩm.
3.10.3 Mạch điều khiển Arduino Leonardo
3.10.3.1 Tổng quan về Arduino Leonardo
Mạch Arduino Leonardo, như hình 3.14, là bộ điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, dựa trên vi điều khiển Atmega32U4 Bo mạch này cung cấp 23 chân đầu vào/ra kỹ thuật số, cho phép kết nối với nhiều thiết bị bên ngoài.
Bộ vi điều khiển trên bo mạch tích hợp giao tiếp USB, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ xử lý thứ cấp Với khả năng ngụy trang thành chuột hoặc bàn phím khi kết nối với máy tính, Leonardo mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người dùng.
Module này hỗ trợ bộ dao động tinh thể với tần số tối đa 16 MHz, cho phép tạo ra các xung clock với tốc độ phù hợp để đồng bộ hóa mọi hoạt động bên trong.
Hình 3 14 Mạch Arduino Leonardo (nguồn: Internet)
Lập trình trong mạch được tích hợp vào thiết bị, mang lại sự linh hoạt cho việc điều chỉnh mã đã viết sau khi cài đặt trong dự án liên quan.
Bo mạch này hỗ trợ các giao thức giao tiếp phổ biến như UART, SPI và I2C Trong đó, UART là giao thức giao tiếp nối tiếp chủ yếu được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu qua hai chân TX và RX.
I2C là giao diện hai dây với hai đường chính: SDA (đường dữ liệu nối tiếp) và SCL (đường clock nối tiếp) SDA chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu, trong khi SCL được sử dụng để đồng bộ hóa các quá trình truyền dữ liệu qua bus I2C.
Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) là một giao thức giao tiếp quan trọng trên bo mạch, thường được sử dụng để truyền dữ liệu giữa bộ vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi nhỏ như cảm biến, thanh ghi dịch chuyển và thẻ SD Giao thức này sử dụng một đồng hồ và các đường dữ liệu riêng biệt, cùng với một đường chọn để xác định thiết bị nào sẽ được giao tiếp.
Bảng 3 1 Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Leonardo
CPU 8 bit Điện áp đầu vào 7 – 12 V Điện áp hoạt động 5 V
Chân I/O kỹ thuật số 23 Đầu vào Analog (Input ) 12 Đầu ra PWM 7
Phần mềm sử dụng Phần mềm Arduino (IDE)
Flash Memory 32KB (4KB được bộ nạp sử dụng)
UART (Giao tiếp nối tiếp) Có
Tần số hoạt động 16 MHz
3.10.3.2 Sơ đồ bố trí chân của Arduino Leonardo
Hình 3.15 là sơ đồ bố trí các chân của mạch Arduino Leonardo được nếu rõ tên và chức năng của chân như sau:
Hình 3 15 Sơ đồ bố trí chân của mạch Arduino Leonardo (nguồn: Internet)
Các nguồn điện phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó bo mạch chủ yếu hoạt động ở mức 5V Mỗi chân của bo mạch hoạt động với điện áp 3.3V, trong khi Vin là điện áp đầu vào có khoảng từ 7 đến 12V, được cung cấp từ nguồn điện bên ngoài.
Bo mạch có hai chân nối đất, trong đó AREF là điện áp tham chiếu analog, chủ yếu phục vụ cho các chân analog IOREF rất hữu ích để cung cấp nguồn và phát triển khả năng tương thích giữa bo mạch và Arduino Shield Khi Shield được kết nối với chân này, nó điều chỉnh điện áp I/O mà bo mạch cung cấp Shield sử dụng chân IOREF sẽ tương thích với cả hai mức điện áp 3V3 và 5V.
